【研究背景】
交换偏置（Exchange bias, EB）指的是磁化强度作为磁场函数的不对称滞后回线，自1956年以来因其在自旋电子器件和磁存储器中的关键作用而被广泛研究。EB效应通常源于铁磁（Ferromagnetic, FM）单向各向异性，这种各向异性是由FM和反铁磁（Antiferromagnetic, AFM）磁相之间界面处FM自旋的重构而产生的。由于在磁存储器和自旋电子器件中的关键作用，电场控制磁性一直是人们追求的目标。通过电场控制FM和AFM磁序之间的界面交换耦合为电场操控EB效应提供了一种途径。
传统上由铁磁体和多铁性材料制成的异质结构被用来调节多铁性材料中AFM序和铁磁体之间的界面交换耦合，从而产生EB效应。在多铁性异质结中，AFM序可以通过反铁磁性和铁电性之间的磁电耦合进行电场控制，因而实现电场调控EB效应。然而异质结材料晶格失配和界面缺陷会不可避免地会降低EB效应。迄今为止，已报道的EB场仅为几十毫特斯拉(mT)。
二维范德瓦尔斯(vdW)层状铁磁材料具有层数依赖的磁特性，为创建二维vdW异质结提供了巨大前景。这一策略超越了晶格匹配要求的限制，并通过层间堆叠操控磁性。此外， EB场（HE）与AFM或FM材料的厚度成反比。因此通过构建二维原子层厚度干净异质结界面可有效增强层间耦合，这对于实现鲁棒的EB效应至关重要。
【成果介绍】
鉴于此，电子科技大学的邓龙江院士/彭波教授团队和新加坡高性能计算研究院的张刚教授合作在Advanced Materials期刊上发表了题为“Robust Electric-Field Control of Colossal Exchange Bias in CrI3 Homotrilayer”的工作。该研究构建了一个同质三层CrI3，由一个FM单层和一个AFM双层CrI3组成。它天然地表现出强的直接耦合，消除了长期以来晶格失配和界面缺陷的传统限制。FM和AFM磁性的层间交换耦合产生了EB效应，磁滞回线发生显著偏移。
【图文导读】
图 1. 同质三层CrI3中EB效应的电场调控示意图。a) 由FM单层和AFM双层CrI3组成的CrI3同质三层示意图。b) 三层CrI3同质结构中的EB效应和相应自旋配置示意图。c) 电驱动磁序翻转示意图。在电场作用下，底层的磁序从自旋向下状态旋转到自旋向上状态。d) 通过栅极电压和相应自旋配置进行电场控制EB效应的示意图。
图 2. 无电场条件下同质三层CrI3的巨大EB效应。a) 制备的CrI3薄片的光学显微照片。b, c) 10 K时FM同质三层 (b) 和AFM双层 (c) 区域的RMCD信号。d, e) 分别在 −0.4 和 +0.2 T 下的 RMCD 图。
图 3. CrI3同质三层中巨大EB效应的电场控制。a) 电压门控CrI3器件的示意侧视图。b, c) CrI3同质三层的RMCD图作为电压门和 10 K 下磁场的函数。d) 在10和15 V下从b和c选择的电调谐RMCD信号。e) 栅极电压和磁场下自旋翻转转变示意图。
图 4. 巨大EB效应的起源。a, b) 当施加电压为0 V时，两种自旋配置的能量差 ΔE (ΔE = E↑↓ − E↓↑) 与空穴掺杂 (a) 和电子掺杂 (b) 的关系。c) 能量差ΔE与不同配置的关系，门控电压为 10 V（蓝线）、0 V（黑线）和 -10 V（红线）。d, e) 双层CrI3的自旋电荷密度图，空穴掺杂为 0 V（d），门控电压为 10 V（e）。蓝色和紫色球体分别表示 Cr 和 I 原子。绿色和黄色等值面分别表示自旋向上和自旋向下状态。
图 5. 从CrI3同质三层结构中分离出的双层CrI3的计算态密度（PDOS）。a-e). 在无电场和电子掺杂(a)、仅有电子掺杂(b)、仅有空穴掺杂(c)、仅有正电场(d)和仅有负电场(e)条件下双层CrI3中Cr-d、Cr1-t2g和Cr2-eg轨道的PDOS。Cr1-t2g和Cr2-eg表示第一层（第二层）中Cr的eg和t2g轨道。f) 在电荷掺杂或电场作用下双层CrI3中Cr1-t2g和Cr2-eg轨道之间的共价性。
【总结展望】
总之，本工作通过电场控制在纯CrI3同质三层结构中实验性地证明了可切换和可逆的巨大交换偏置效应，这得益于直接交换耦合，为使用2D铁磁/反铁磁材料的未来自旋电子和存储器件铺平了道路。计算结果揭示，来自HYO衬底的掺杂改变了本征CrI3三层结构的层间耦合，进而引起交换偏置效应。电场和电荷掺杂协同驱动CrI3在每一层的自旋翻转，并进一步实现交换偏置效应的电控，这不仅显著降低了功耗，还增加了非易失性功能，为突破传统冯·诺依曼计算架构中的内存墙瓶颈开辟了道路。该工作突显了应用2D范德瓦尔斯磁性材料实现磁数据存储应用、自旋电子学和存内计算的可行性。
【文献信息】
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